caracterización física y mecánica del agregado

Universidad de San Carlos de Guatemala
Facultad de Ingeniería
Escuela de Ingeniería Civil
CARACTERIZACIÓN FÍSICA Y MECÁNICA DEL AGREGADO
DEL BANCO LA ISLA DEL MUNICIPIO DE SANTA CRUZ,
ALTA VERAPAZ
Otto Javier Sarg Rodríguez
Asesorado por la Inga. Civil Dilma Yanet Mejicanos Jol
Guatemala, noviembre de 2010
UNIVERSIDAD DE SAN CARLOS DE GUATEMALA
FACULTAD DE INGENIERÍA
CARACTERIZACIÓN FÍSICA Y MECÁNICA DEL AGREGADO DEL
BANCO LA ISLA DEL MUNICIPIO DE SANTA CRUZ,
ALTA VERAPAZ
TRABAJO DE GRADUACIÓN
PRESENTADO A LA JUNTA DIRECTIVA DE LA
FACULTAD DE INGENIERÍA
POR
OTTO JAVIER SARG RODRIGUEZ
ASESORADO POR INGA. CIVIL DILMA YANET MEJICANOS JOL
Al CONFERÍRSELE EL TÍTULO DE
INGENIERO CIVIL
GUATEMALA, NOVIEMBRE DE 2010
UNIVERSIDAD DE SAN CARLOS DE GUATEMALA
FACULTAD DE INGENIERÍA
NÓMINA DE JUNTA DIRECTIVA
DECANO
Ing. Murphy Olympo Paiz Recinos
VOCAL I
Ing. Glenda Patricia García Soria
VOCAL II
Ing. Alba Maritza Guerrero Spínola de López
VOCAL III
Ing. Miguel Ángel Dávila Calderón
VOCAL IV
Br. Luis Pedro Ortiz de León
VOCAL V
P.A. José Alfredo Ortiz Herincx
SECRETARIO
Ing. Hugo Humberto Rivera Pérez
TRIBUNAL QUE PRACTICÓ EL EXAMEN GENERAL PRIVADO
DECANO
Ing. Murphy Olympo Paiz Recinos
EXAMINADOR
Ing. Carlos Salvador Gordillo
EXAMINADOR
Ing. Pedro Antonio Aguilar Polanco
EXAMINADORA
Inga. Dilma Yanet Mejicanos Jol
SECRETARIA
Inga. Marcia Ivonne Véliz Vargas
DEDICATORIA A:
Mis padres
Otto Edgar Sarg
Elsa Beatriz de Sarg
Por el apoyo incondicional que me brindaron a lo
largo de estos años de estudio
Mi esposa
Sigrid
Por imprimirme el deseo de ser profesional
Mi hijo
Santiago
Por ser una hermosa inspiración
Mi hermana
Bárbara
Por su cariño constante
AGRADECIMIENTOS
Ingeniera
Dilma Yanet
Mejicanos Jol
Por su amistad y colaboración en la elaboración de
este trabajo de graduación
A las empresas e instituciones, por su apoyo
RONY SARMIENTO, INGENIERO
OTTO SARG, INGENIERIA Y CONSTRUCCION
CII
CESEM
Constructora San Francisco S.A.
5
ÍNDICE GENERAL
ÍNDICE DE ILUSTRACIONES
V
GLOSARIO
VII
INTRODUCCION
XI
OBJETIVOS
1.
XIII
MARCO TEÓRICO
1
1.1 Descripción general de la norma ASTM C 33-01
1
1.2 Agregados
2
1.2.1 Agregado fino
2
1.2.1.1 Granulometría
2
1.2.1.2 Sustancias nocivas para el agregado fino
3
1.2.1.3 Contenido de materia orgánica
4
1.2.2 Agregado grueso
5
1.2.2.1 Granulometría
6
1.2.2.2 Sustancias nocivas en el agregado grueso
6
1.3 Absorción y contenido de humedad, pesos específico y unitario
7
1.3.1 Absorción y contenido de humedad
7
1.3.2 Peso específico
9
1.3.3 Peso unitario
10
1.4 Descripción general de la norma ASTM C 295-01
11
1.4.1 Importancia y usos de los exámenes petrográficos
12
1.4.2 Toma de muestras en canteras
12
1.4.3 Arena y grava natural
13
1.4.4 Examen de grava natural
14
1.4.4.1 Clasificación de la roca
I
14
1.4.4.2 Condiciones de las muestras
15
1.5 Especificaciones adicionales para agregados, método para
evaluar la reactividad de los agregados
2
3
17
1.5.1 Para agregado fino
17
1.5.2 Para agregado grueso
18
1.5.3 Componentes del cemento Portland
19
DESCRIPCIÓN Y LOCALIZACIÓN DEL BANCO SELECCIONADO
21
2.1 Descripción del banco
21
2.2 Aspectos geológicos de la zona
23
2.3 Tipo de banco
24
2.4 Localización y ubicación
24
27
ENSAYOS DE LABORATORIO
3.1 Resultados para la caracterización de los agregados
3.1.1Tabulación y análisis de resultados
3.2 Resultados de la norma ASTM C 33
27
28
28
3.2.1 Agregado fino clasificado del banco La Isla
28
3.2.2 Agregado fino no clasificado del banco La Isla
31
3.2.3 Agregado grueso clasificado del banco La Isla
31
3.2.4 Agregado grueso no clasificado del banco La Isla
33
3.3 Ensayos para determinar componentes y propiedades
mineralógicas
33
3.3.1 Ensayo de reactividad potencial ASTM C 289
34
3.3.2 Examen petrográfico del banco La Isla
34
3.4 Ensayos para determinar componentes y propiedades
químicas
37
II
4
ELABORACIÓN DE MEZCLAS DE CONCRETO Y MORTEROS
PARA VERIFICAR LA RESISTENCIA MECÁNICA
4.1 Ensayo de concreto a compresión
4.1.1
4.1.2
Banco La Isla: agregado clasificado
Banco La Isla: agregado no clasificado
4.2 Ensayo de morteros a compresión
39
39
39
43
43
4.2.1
Banco La Isla: agregado fino clasificado
43
4.2.2
Banco La Isla: agregado fino no clasificado
44
4.3 Ensayo de morteros a tensión
45
4.3.1
Banco La Isla: agregado fino clasificado
45
4.3.2
Banco La Isla: agregado fino no clasificado
46
CONCLUSIONES
47
RECOMENDACIONES
49
BIBLIOGRAFÍA
51
ANEXOS
53
III
IV
ÍNDICE DE ILUSTRACIONES
FIGURAS
1.
Proceso de extracción manual del banco La Isla
22
2.
Proceso de extracción mecánica del banco La Isla
22
3.
Banco La Isla
23
4.
Localización del banco en estudio
25
5.
Ubicación y acceso al banco en estudio
26
6.
Curva granulométrica del agregado fino de La Isla
29
7.
Curva granulométrica del agregado grueso de La Isla
32
8.
Componentes minerales de la muestra de La Isla para cada número
de tamiz
36
9.
Reactividad álcali – carbonato
38
10.
Informe de la norma C 33 para el agregado fino clasificado
54
11.
Informe de la norma C 33 para el agregado grueso clasificado
55
12.
Informe de la evaluación de óxidos de calcio y magnesio por métodos
complejo métricos
56
13.
Informe de reactividad potencial del banco La Isla
57
14.
Ilustración sobre la división de un material deletéreo e inocuo
58
15.
Informe de la resistencia de cilindros de concreto
59
2
16.
Diseño teórico de mezcla para concreto 210 kg/cm – 3000 psi
17.
Informe de la resistencia de cilindros de concreto con base en
60
diseño teórico de mezcla para concreto 210 kg/cm2 - 3000 psi
61
18.
Informe de la resistencia de morteros a compresión y tensión
62
19.
Fotografías del ensayo de cilindros a compresión
63
20.
Fotografías del ensayo de cilindros a compresión con base a diseño
Teórico de mezcla para concreto 210 kg/cm2 - 3000 psi
64
21.
Fotografías de ensayos de morteros a compresión
65
22.
Fotografías de ensayos de morteros a tensión
66
V
TABLAS
I. Límites de granulometría según la norma ASTM C 33-01
2
II. Clasificación de la arena por su módulo de finura
3
III. Límites de sustancias nocivas en agregados finos
4
IV. Cantidad de material en unidades de peso para realizar el cuarteo
en el ensayo de contenido de humedad
9
V. Composición y constitución del cemento Portland
20
VI. Granulometría del agregado fino clasificado de La Isla
29
VII. Características físicas de agregado fino de La Isla
30
VIII. Granulometría del agregado grueso clasificado de La Isla
31
IX. Características físicas del agregado grueso
32
X. Resultados del ensayo de reactividad potencial, ASTM C 289
34
XI. Características macroscópicas
35
XII. Número de partículas por tamiz
36
XIII. Proporción de la mezcla (peso) 1:2.30:3.00:0.60
39
XIV. Resultados del ensayo a compresión del concreto utilizando
agregados clasificados
40
XV. Diseño teórico de mezcla para concreto 210 kg/cm2
41
XVI. Proporción de la mezcla (peso) 1:29:3.16:0.57
41
XVII. Resultado del ensayo a compresión del concreto utilizando agregado
clasificado para concreto 210 kg/cm2
42
XVIII. Resultados de mortero a compresión para el agregado fino
clasificado
44
XIX. Resultados de mortero a tensión para el agregado fino clasificado
VI
45
GLOSARIO
Agregado
Es el material inerte que, unido con un
aglomerante en una masa conglomerada,
forma concreto o mortero. Estos últimos se
dividen, según su tamaño, en finos y gruesos;
el límite es el tamiz de 4.75 mm de abertura.
Álcalis
Hidróxidos que se forman cuando elementos
alcalinos entran en contacto con el agua. En
el cemento Portland estos elementos alcalinos
son el sodio y el potasio.
Arenisca
Roca sedimentaria formada por arena de
cuarzo cuyos granos están unidos por un
cemento
silíceo,
arcilloso,
calizo
o
ferruginoso que le brinda mayor o menor
dureza.
ASTM
Siglas
que
corresponden
a
la
entidad
AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND
MATERIALS
(Sociedad
Pruebas y Materiales).
VII
Americana
para
Calcita
Carbonato de calcio, muy abundante, que
cristaliza en formas del sistema hexagonal,
generalmente
blanco
puro,
a
veces
transparente CaCO3.
Caliza
Tipo
común
de
roca
sedimentaria,
ampliamente difundida. Se caracteriza por la
efervescencia, en frío, al contacto con un
ácido. Se distinguen las calizas propiamente
dichas y las rocas dolomíticas, que contienen
una cantidad notable de carbonato doble de
calcio y de magnesio.
Dolomíta
Roca semejante a la caliza y formada por el
carbonato doble de calcio y magnesio
CaMg (CO3). Es más común que la
verdadera caliza.
Eflorescencia
Conversión
espontánea
en
polvo
de
diversas sales, al perder el agua de
cristalización.
VIII
Hormigón
Mezcla compuesta de agregados de distintos
tamaños y cemento. En Guatemala se le llama
concreto.
Mortero
Mezcla constituida por agua, arena y un
aglomerante
como
el
cemento
Portland.
Además, puede contener aditivos.
Rocas sedimentarias
Formación
de
rocas
con
base
en
la
sedimentación, tanto en el grupo de rocas
detríticas terrígenas, como rocas formadas por
la precipitación a partir de una solución,
expuestas a erosiones continuas.
IX
X
INTRODUCCIÓN
La construcción de obras de concreto en el departamento de Alta Verapaz
ha tenido un incremento considerable en los últimos años, y debido a la falta de
información acerca de las propiedades y características de los agregados
empleados, se utilizan materiales para la elaboración de mezclas de los cuales
se ignoran sus propiedades.
En Guatemala, se utilizan las normas ASTM para conocer y analizar las
propiedades de los agregados para la elaboración de concreto y morteros.
Estas normas tienen como objetivo establecer un control de calidad en
materiales de construcción al analizar sus propiedades físicas, mecánicas y
mineralógicas. Para este fin existe cierta cantidad de normas y especificaciones
dirigidas a agregados, de las cuales en este trabajo de graduación se aplicaron
las siguientes: especificaciones generales sobre agregados, ensayo de
reactividad potencial y el examen petrográfico, ASTM C 33, C 289 y C 294,
respectivamente.
Además de los ensayos para el análisis de agregados, las normas ASTM
recomiendan la elaboración de pruebas de concreto y mortero para verificar el
desempeño de los agregados en condiciones de uso. Estas pruebas y sus
resultados se presentan en la cuarta parte de este documento.
XI
XII
OBJETIVOS
•
General
Determinar las propiedades físicas, mecánicas y mineralógicas del banco de
agregados ubicados en el municipio de Santa Cruz Verapaz, en el
departamento de Alta Verapaz.
•
Específicos
1. Analizar y comparar las muestras obtenidas del banco, de acuerdo con
los procedimientos y especificaciones que establece la norma ASTM C
33-01 para conocer sus propiedades físicas y mecánicas.
2. Identificar los componentes mineralógicos de las rocas que forman este
agregado por medio del examen petrográfico, para identificar posibles
minerales o sustancias reactivas con los componentes del cemento
Portland.
3. Elaborar mezclas de concreto y mortero para verificar la resistencia
mecánica de agregados en condiciones de uso.
4. Determinar la relación de los componentes químicos, para el uso de los
agregados en mezclas de concreto.
5. Identificar, con base en los resultados obtenidos, el uso óptimo, del
material en el campo de la construcción.
XIII
1. MARCO TEÓRICO
De acuerdo con las especificaciones de las normas de la Sociedad
Americana para el Ensayo de Materiales-ASTM-(por sus siglas en inglés), se
determinará en este proceso, la calidad de los agregados del banco de
materiales conocido como La Isla, en el municipio de Santa Cruz Verapaz,
departamento de Alta Verapaz.
1.1 Descripción general de la norma ASTM C 33-01
Esta norma se emite bajo la designación C 33; el número que sigue a la
designación inmediata indica el año de adopción original o en el caso de
revisión, el año de última revisión.
Esta especificación define los requisitos de graduación y calidad de los
agregados fino y grueso que serán usados para la realización de concreto
estructural, por lo que es considerada adecuada para asegurar materiales
satisfactorios para la mayoría de hormigones.
Está reconocido que, para
ciertos trabajos o en ciertas regiones, puede haber diferentes restricciones,
debido a las características físicas, mecánicas, químicas y petrográficas de la
composición de los bancos en las diferentes regiones. Por ejemplo, donde la
estética es más importante deben considerarse más los límites restrictivos con
respecto a las impurezas que puedan ocasionar manchas e incluso algún tipo
de eflorescencia en la superficie del concreto.
1
1.2
Agregados
1.2.1 Agregado fino
Los
agregados
finos
pueden
ser
de
origen
natural,
arenas
manufacturadas, de roca triturada, artesanal o bien una combinación de ambas.
1.2.1.1 Granulometría
El agregado fino deberá estar graduado dentro de los límites que se
muestran en la tabla I, para considerar un equilibrio en la representación de los
tamaños de partículas y se clasificará según su módulo de finura tal y como
aparece en la tabla II.
Tabla I.
Límites de granulometría según la norma ASTM C 33-01
Tamiz
Porcentaje que pasa
3/8” (9.5 mm)
100%
No. 4 (4.75 mm)
95 a 100%
No. 8 (2.36 mm)
80 a 100%
No. 16 (1.18 mm)
50 a 85%
No. 30 (600 μm)
25 a 60%
No. 50 (300 μm)
10 a 30%
No. 100 (150 μm)
2 a 10%
Fuente: Normas de la asociación Americana para el Ensayo de Materiales, Vol.004-03.
Pág. 10
2
El agregado fino no deberá tener más de 45 por ciento retenido entre 2
tamices consecutivos y su módulo de finura deberá estar entre 2.3 y 3.1. Si el
agregado no cumple con estos requisitos puede utilizarse siempre y cuando
cumpla con la prueba de esfuerzo del mortero que establece la norma C 87,
donde es aceptada si después de los siete días la prueba presenta el 95% de
su resistencia de diseño.
Tabla II. Clasificación de la arena por su módulo de finura
Tipo de arena
Módulo de finura
Gruesa
2.90 – 3.20 gramos
Media
2.20 – 2.90 gramos
Fina
1.50 – 2.20 gramos
Muy fina
1.50 gramos
Fuente: Gaitán Orozco, Análisis mineralógico y examen petrográfico de agregado fino
para concreto de tres bancos de la región central del país. Pág. 25
1.2.1.2
Sustancias nocivas para el agregado fino
En la prueba para agregado fino, la norma indica los porcentajes límites
de sustancias nocivas permisibles, como se muestra en la tabla III.
3
Tabla III. Límites de sustancias nocivas en agregados finos
Porcentaje máximo en peso
Sustancia
del total de la muestra (%)
Arcilla y partículas disgregables
3.0
Material más fino que el tamiz 200 (75 μm):
Concreto sujeto a abrasión
3.0A
cualquier otro concreto
5.0A
Carbón y lignito:
cuando la apariencia del concreto es de
importancia
cualquier otro concreto
0.5
1.0
Fuente: ASTM, Vol.004-03. Pág. 11
1.2.1.3
Contenido de materia orgánica
El contenido de impurezas orgánicas puede determinarse por medio de
la prueba colorimétrica de impurezas orgánicas, donde si ésta produce un color
más oscuro dentro de la escala del colorímetro (mayor que el número 3), será
rechazada, esto muestra la presencia de pequeñas partículas de carbón, lignito
u otras partículas discretas similares, como también la presencia de partículas
de origen orgánico.
La cantidad de impurezas orgánicas en los agregados finos no deberá
exceder los valores de la tabla III.
Cuando el agregado fino no cumpla con estos requerimientos puede
llegar a ser aceptado, con la condición que el concreto tenga propiedades
similares a un concreto fabricado con agregados de la misma fuente y que éste
4
haya dado resultados satisfactorios al ser expuesto a un ambiente con
características similares. Además existe la posibilidad de estabilizar el material
con soluciones de calcio (cal), ya que existen relaciones apropiadas por utilizar
en la construcción, un metro cúbico de material por un saco de cal o un pie
cúbico de material por dos tercios de saco de cal, ayudando así a la
estabilización del material.
1.2.2
Agregado grueso
El agregado grueso está formado fundamentalmente por gravas, gravas
trituradas, piedra triturada, escoria de explosión, artesanal, concreto de
cemento hidráulico, o bien de la combinación de las anteriores, con las
características que establece la norma.
Aunque se ha utilizado concreto de cemento hidráulico triturado como
agregado, con informes de resultados satisfactorios, su uso puede requerir
algunas precauciones adicionales.
Puede aumentarse el índice máximo de humedad debido a la aspereza
de la clase de agregado.
El uso de este tipo de agregado puede causar una baja resistencia con
respecto a la resistencia del elemento sometido a cambios de temperatura,
puede también causar una degradación de las propiedades del concreto en el
momento del mezclado, manipulación, o en el momento de colocarlo.
El agregado proveniente de roca triturada puede tener partículas
susceptibles a elementos alcalinos, al ataque de sulfatos y materia orgánica
especialmente en los poros de un concreto de reciente fabricación.
5
1.2.2.1
Granulometría
Los agregados gruesos deben conformar los requerimientos descritos en
la norma para el número de tamiz especificado. El tamaño del agregado se
encuentra en función a las necesidades específicas para el diseño del concreto.
Para llevar un control de la calidad, el productor debe desarrollar una
medida de granulometría de una fuente en particular, así también los medios de
producción debe controlar que en promedio la granulometría se encuentre
dentro de los límites de tolerancia razonables. Los agregados gruesos deben
acomodarse de forma separada o apilarse, como mínimo, en dos tamaños.
1.2.2.2
Sustancias nocivas en el agregado grueso
Las especificaciones de los límites de sustancias nocivas en los
agregados gruesos a utilizar en la fabricación de concreto se designan por el
tipo de agregado, la severidad de la abrasión y otros elementos a los que serán
expuestos, similares al agregado fino, (ver tabla III).
Los límites correspondientes de abrasión de los agregados gruesos
deben tomarse en cuenta para tener resultados satisfactorios en función del
lugar y el tipo de concreto a utilizar. Si se efectúa una selección indebida del
agregado a emplear, puede ser la causa de un gasto no necesario si los
materiales que se necesitan no se encuentran en la localidad.
Si se efectúa una selección de agregados con límites bajos de
aceptación, puede que los mismos actúen de forma insatisfactoria, y causar un
prematuro deterioro del concreto.
6
Puede también fabricarse concreto con diferentes tipos de agregados
gruesos, cuando estos se encuentren dentro de los límites admisibles de
resistencia de diseño, las especificaciones pueden llegar a requerir que se
utilice un sólo tipo de agregado grueso que se encuentre aislado de agregados
de otro tipo que puedan contener características que dañen o alteren el
concreto, sobre todo en proyectos pequeños.
Como el agregado grueso a utilizar en concreto se encuentra sujeto al
aumento de humedad, y una prolongada exposición a la atmósfera, no debe
contener materiales que puedan reaccionar de forma nociva con los álcalis del
cemento, en cantidades que puedan causar una expansión excesiva del
mortero de concreto.
Los agregados gruesos difícilmente sobrepasan los límites establecidos
en la tabla III, por lo que pueden llegar a ser aceptados si un concreto realizado
con un material similar y de la misma fuente ha reflejado un funcionamiento con
resultados satisfactorios, cuando es sometido a condiciones similares para las
que se pretende utilizar los agregados en estudio.
1.3 Absorción y contenido de humedad, peso específico
y peso
unitario
1.3.1 Absorción y contenido de humedad
La humedad de un agregado está compuesta por humedad de saturación
(o bien de absorción) y humedad libre o superficial. Para corregir el peso del
material al hacer mezclas de concreto, es necesario obtener el porcentaje de
7
humedad contenida además del porcentaje de absorción del agregado, para
mantener las condiciones de la reacción térmica del cemento, al momento de
iniciar el fraguado.
Un cambio de contenido de humedad del 1%, si no se compensa puede
cambiar el asentamiento del concreto en 1.5 pulgadas y la resistencia en 300
lbs/plg2. Los agregados pueden estar en alguno de los cuatro estados
siguientes:
a. Seco al horno, completamente seco y absorbente
b. Seco al aire, seco en su superficie pero con algo de contenido de
humedad, menor que la requerida para saturar las partículas. Algo
absorbente
c. Saturado y de superficie seca, que es la condición ideal que debe tener
el agregado para que no adicione o absorba agua del concreto
d. Húmedo o mojado, contiene exceso de humedad en la superficie de las
partículas
Para proporcionar mezclas de concreto, todos los cálculos deben basarse
en agregado, en condición seco-saturada.
Debe tomarse una muestra relativa del material a evaluar, por medio del
cuarteo de la misma, considerando el peso necesario de acuerdo con la tabla
IV.
8
Tabla IV. Cantidad de material en unidades de peso para realizar el
cuarteo en el ensayo de contenido de humedad
Tamaño de agregado
Peso de la muestra
Menor de 4.76 μm
200 gramos
De 4.76 a 19.0 μm
500 gramos
De 19.0 a 38.1 μm
1000 gramos
Mayor a 38.1 μm
1000 gramos
Fuente: Gaitán Orozco, Análisis mineralógico y examen petrográfico de agregado fino
para concreto de tres bancos de la región central del país. Pág. 22
Es imposible que los agregados vengan en condición ideal pero puede
llegarse a ella por una simple operación aritmética: humedad superficial =
humedad total - factor de absorción. Para los agregados gruesos la absorción
se puede determinar de acuerdo con la norma ASTM C 127 y para los
agregados finos conforme a la norma ASTM C 128.
1.3.2 Peso específico
La densidad o masa específica de un cuerpo homogéneo es la masa por
unidad de volumen de ese cuerpo. Si en lugar de tomar la masa de un cuerpo
se toma su peso, se obtiene lo que se conoce como peso específico.
En el caso de los agregados se ha introducido una modificación a la
definición anterior. Esto se debe a que se hace necesario determinar el peso del
volumen aparente de estos materiales (el volumen sin descontar los poros y
espacios libres). Entonces el peso específico aparente relativo es la relación
9
entre el peso de un volumen aparente de un cuerpo y el peso de otro volumen
aparente de otro cuerpo, tomado como comparación, a igual intensidad de la
gravedad y en las mismas condiciones de temperatura y presión.
La gravedad específica como se define en la especificación ASTM E 12
corresponde al peso específico relativo, y para agregados finos se determina
por métodos descritos en la norma ASTM C 128 y para agregado grueso ASTM
C 127, que consiste en medir el desplazamiento del agua, producido por un
peso conocido de agregado en condición saturada y de superficie seca, se usa
para este objeto una probeta calibrada.
1.3.3
Peso unitario
El peso unitario de un material es el peso de éste con respecto a su
volumen. Este término es el usado en las especificaciones de la ASTM. Se
aplica a condiciones de trabajo, tomando como volumen unitario el pie cúbico o
metro cúbico.
Al determinar el peso unitario se observa que el grado de asentamiento
(vacíos) y el contenido de humedad ejercen influencia sobre éste, por lo que se
calcula con el material seco o con distintos grados de humedad, asentado o
suelto según indicación de la norma ASTM C 29. Los recipientes utilizados para
cada agregado corresponden: para agregado grueso de 7 litros y para agregado
fino de 2.867 litros, respectivamente.
10
1.4
Descripción general de la norma ASTM C 295-01
Esta norma específica los procedimientos y técnicas que deben utilizarse
para el examen petrográfico de muestras de materiales propuestos para el uso
de los agregados en el hormigón.
La roca y los minerales se deberán nombrar según la
nomenclatura
descriptiva C 294, de la manera más apropiada y de acuerdo con esta guía.
Los procedimientos específicos empleados en el examen petrográfico de
cualquier muestra, dependerán en gran parte del propósito del examen y la
naturaleza de la muestra. En la mayoría de los casos el examen requerirá el
uso de microscopía óptica.
Los exámenes petrográficos completos para propósitos particulares pueden
requerir exámenes de agregados o de componentes seleccionados por medio
de los procedimientos adicionales, como la difracción de la radiografía (XRD) el
análisis diferencial térmico (DTA), el espectroscopio infrarrojo, u otro examen
del electrón al microscopio (SEM), análisis de rayos X para la dispersión de
energía (EDX). En algunos casos, tales procedimientos son más rápidos y
fiables que los métodos del microscopio.
La identificación de los materiales constituyentes de una muestra es
usualmente un paso necesario para poder determinar lo que se puede esperar
acerca de la conducta del material en el uso que se le va a dar, pero la
identificación no es un fin en sí misma. El valor de cualquier examen
petrográfico dependerá en gran parte de la representatividad de las muestras
examinadas, la integridad y exactitud de la información así como la habilidad del
11
petrógrafo de poner en correlación estos datos con los del examen,
proporcionarán datos acerca de la fuente y propuestas para el uso del material.
1.4.1
Importancia y usos de los exámenes petrográficos
Los exámenes petrográficos son hechos con los siguientes propósitos:
•
Determinar las características físicas y químicas del material que será
observado y determinar el comportamiento de este para el uso al que
será destinado
•
Describir y clasificar los componentes que tiene la muestra
•
Comparar muestras de agregado de nuevos bancos con las muestras de
agregados de uno o más bancos y que los datos estén disponibles en
archivos
El examen petrográfico debe realizarse bajo la supervisión de un geólogo
que se encuentre familiarizado con los requisitos necesarios para la toma de
muestras de agregados para concreto, cumpliendo con los requisitos de la
práctica D 75. Debe considerarse la localización exacta de donde fue tomada la
muestra, la geología del sitio y deben recolectarse otros datos pertinentes con
la muestra.
La cantidad del material realmente estudiada en el examen petrográfico
se encuentra en función de la naturaleza del examen y la calidad del material a
evaluar en la muestra.
1.4.2
Toma de muestras en canteras
Cuando se cuenta con material apilado y en disposición, la muestra
representativa no debe tomarse por menos de 45 kilogramos (100 libras) o bien
12
300 piezas o segmentos de cualquier tamaño, de cualquier material a examinar.
Debe efectuarse una selección de los apilamientos existentes y de esta forma
tomar las muestras más representativas y con las características del agregado
más grande.
1.4.3
Arena y grava natural
Las muestras de grava y arena natural para el examen petrográfico
deben encontrarse secas, de acuerdo con el método de la práctica C 136, para
proporcionar muestras de acuerdo con el tamaño del tamiz.
En el caso de las arenas debe tomarse una cantidad adicional que debe
probarse de acuerdo con la norma C 117; esto debe considerarse para evaluar
en peso seco y sin exceso de humedad la cantidad de material que pasa por el
tamiz de 75 micrómetros o el tamiz No.200.
Deben proporcionarse los resultados del análisis de los tamices de cada
una de las pruebas de acuerdo con el método C 136, para que la persona que
realice el examen petrográfico pueda utilizarlos.
Cada fragmento del material que es retenido por el tamiz debe ser
examinado de forma separada, iniciando por el material retenido en el tamiz de
la medida más grande que se tenga disponible, así se hace más fácil el
reconocimiento de rocas de gran tamaño.
El rompimiento de un lecho de roca de gran magnitud puede generar
rocas de diferentes tamaños o bien de forma aparente con partículas de
pequeños tamaños.
13
Algunas partículas pueden ser identificadas fácilmente por medio de la
utilización de un microscopio estereoscópico donde, de forma separada, se
toman las partículas de mayores tamaños.
El número de partículas a tomar de cada uno de los tamices para ser
examinado, será determinado por la precisión que se tenga para obtener los
resultados de las muestras menos abundantes. Asumiendo que el campo de
prueba y el laboratorio que realiza los procedimientos es exacto y fiable, el
número de partículas a examinar, identificar y estimación de los componentes
que se encuentren son cantidades mínimas.
Los valores que sugiere este método son mínimos, están basados en la
experiencia y en consideraciones estadísticas.
1.4.4
Examen de grava natural
El recubrimiento, los guijarros o cantos rodados deben examinarse para
establecer si existen recubrimientos exteriores, y si estos existen, debe
determinarse si consisten en materiales dañinos para el concreto (yeso,
fácilmente las sales solubles y la materia orgánica).
También debe determinarse de forma cualitativa la firmeza de las capas
de pequeñas partículas.
1.4.4.1
Clasificación de la roca
Los fragmentos de roca deben ser clasificados por medio del método
visual, esto puede realizarse si existe uno o más grupos de fragmentos que
14
sean fácilmente identificables y separados de forma manual, ya sea en una
superficie natural, una superficie fracturada, una superficie perforada o un
examen de acidez.
En las rocas de grano fino es necesario realizar el examen por medio de
la utilización del microscopio estereoscópico para verificar la existencia de
substancias dañinas para el concreto. Si estos elementos no pudieran ser
identificados por este método, significa que deben ser identificados por el
petrógrafo por medio de la utilización del microscopio.
La cantidad de grano fino en una muestra será determinada por la
cantidad de este material que se necesite para un trabajo determinado. Deben
tomarse en consideración los registros existentes de exámenes que se hayan
realizado en muestras de la misma fuente, normalmente, esto refleja el trabajo a
nivel microscópico que debe realizarse a las muestras para obtener la
información que se necesite, en función de la necesidad de los trabajos a
efectuar.
1.4.4.2 Condiciones de las muestras
Deben examinarse las muestras por grupos separados según el tipo de
grano, para determinar si es necesario realizar una separación según condición
física.
Debe notarse si existe un grupo de partículas de forma reconocible en
condición agrupada, ya que normalmente se encuentran partículas con
diferente grado de desgaste en diferentes grupos, que deben ser clasificadas en
categorías basadas en su condición y comportamiento con el concreto.
15
Las categorías por las cuales se clasifican son:
•
Erosionado y denso
•
Moderadamente erosionado
O bien, pueden clasificarse de la siguiente forma:
•
Denso
•
Poroso (poroso deleznable)
Normalmente, no es factible reconocer más de tres condiciones en función
del tipo de roca, ya que el reconocimiento de una o dos condiciones pueden
ser suficientes.
Cuando existe un componente importante en grandes
cantidades, a veces se requiere de una separación en cuatro grupos según su
condición.
Un ejemplo puede ser el contenido de cuarzo al encontrarse en grandes
cantidades en las arenas gruesas, ya que puede aparecer como denso, cuarzo
deleznable, cuarzo volcánico, cuarzo poroso o como cuarzo altamente
deleznable.
La determinación de cualquiera de las cuatro características anteriores en
un examen puede dar a conocer el comportamiento que tengan los agregados
en el concreto.
16
1.5 Especificaciones adicionales para agregados, método para
evaluar la reactividad de los agregados
Se han propuesto varios métodos para evaluar el potencial de reactividad
de los agregados. Sin embargo, estos métodos propuestos no han
proporcionado información cuantitativa sobre el grado de reactividad de los
agregados, ya que deben basarse en el juicio y en la interpretación de los datos
de la prueba y el examen de estructuras concretas que contienen una
combinación de agregados gruesos y finos, su consolidación y su utilización en
un trabajo específico.
1.5.1 Para agregado fino
Las partículas retenidas del tamaño grueso de 600 micrómetros (tamiz
No.30) deben reducirse de acuerdo con el procedimiento del método C 702,
realizando mezclas continuas hasta reducirla a una muestra de por lo menos
150 partículas. Debe realizarse un examen de cada una de las muestras
reducidas.
Deben realizarse también pruebas en el agregado fino, con la finalidad
de que reflejen el comportamiento del concreto cuando es sometido a cambios
de temperatura según el método de la norma C 666.
En función de la calidad del concreto, debe tomarse en cuenta como un
aspecto fundamental, las posibles reacciones que los componentes de los
agregados provoquen cuando sean mezclados con el cemento.
El conocimiento de los componentes del cemento puede ser de gran
ayuda para determinar si los componentes de los agregados lo afectan.
17
1.5.2 Para agregado grueso
Los resultados de las siguientes pruebas ayudan a determinar las
propiedades y características reactivas del agregado:
•
Norma ASTM C 295: se reconocen varios materiales que reaccionan con los
álcalis del cemento, estos incluyen las formas de sílice, como: cuarzo
traslúcido, ópalo pasando por la prueba de ácidos (ricos en sílice), vidrio
volcánico, andesitas, zeolitas. La determinación de la presencia y las
cantidades de estos materiales por medio de los exámenes petrográficos
son útiles para la evaluación del potencial de álcalis.
Algunos de esos
materiales dan como resultado un agregado con reacciones nocivas si se
presentan en cantidades del 1.0% o menor.
•
Norma ASTM C 227: los resultados de este método de prueba, cuando son
realizados con un cemento con alto contenido de álcalis, dan la información
de la probabilidad de reacciones perjudiciales. El volumen de álcalis en el
cemento debe encontrarse entre el 0.6% y el 0.8%, expresado en óxido de
sodio. Las combinaciones de agregado y cemento que de forma común han
provocado una expansión excesiva en esta prueba deben considerarse
potencialmente reactivas.
Mientras la línea de la expansión y la no
expansión no se define claramente, en general se considera que la
expansión es excesiva si excede de 0.05% en una prueba a tres meses, o
0.1% en una prueba a seis meses.
•
Norma ASTM C 289: este ensayo describe un método químico para
determinar la reactividad potencial
de un agregado con los álcalis del
cemento Portland. Los resultados de este método pueden ser obtenidos
rápidamente, y aunque no son completamente fiables en todos los casos,
18
proveen datos valiosos muestran la necesidad de obtener información
adicional a través de los métodos de la Norma ASTM C 227 y ASTM C 295.
•
Norma ASTM C 586: este método se utiliza para determinar la reactividad
potencial de los álcalis en rocas carbonáticas, cubre la determinación de las
características expansivas de las rocas carbonáticas mientras éstas están
sumergidas en una solución de hidróxido de sodio (NaOH) a temperatura
controlada. Los cambios de longitud observables que ocurren durante tal
inmersión indican el nivel general de reactividad de las rocas. Este método
está concebido como provisional más que como una especificación que
deba cumplirse y solamente busca suplir información de registros de
servicios de los agregados, de exámenes petrográficos y de otras pruebas.
•
Norma ASTM C 342: este método está enfocado principalmente a
determinar el potencial de expansión en la combinación de cemento y
agregado, sujeto a las variaciones de temperatura y saturación de agua.
1.5.3 Componentes del cemento Portland
En la tabla siguiente se identifican los componentes principales del
cemento Portland que comúnmente es utilizado para la elaboración de
concreto.
19
Tabla V. Composición y constitución del cemento Portland
Componente
Forma química
Composición ( % )
Oxido de sílice
SiO2
14 – 22
Óxido de aluminio
Al2O3
4–7
Óxido de hierro
Fe2O3
2–4
Óxido de calcio
CaO
62 – 65
Trióxido de azufre
SO3
1.5 – 2
Oxido de magnesio
MgO
1–4
Na2O + K2O
0.3 – 1
Óxidos alcalinos
Fuente: Muñoz Espinosa, Evaluación de propiedades físico mecánicas en concreto.
Pág. 31
20
2. DESCRIPCIÓN Y LOCALIZACIÓN DEL BANCO
SELECCIONADO
En esta parte se describen las características físicas del banco de agregados
en estudio, además se hace una descripción de la geología regional como guía
para la elaboración de ensayos y exámenes o bien para referencia de estudios
posteriores o anteriores. Por último, se presenta la ubicación del sitio y sus
rutas de acceso.
2.1
Descripción de los bancos
Para realizar esta caracterización de agregados para concreto y morteros
se escogió un banco. En este se extrae agregado fino y grueso, se denomina
La Isla, está ubicado en la aldea (La Isla), del municipio de Santa Cruz Verapaz,
en el departamento de Alta Verapaz. El banco a caracterizar se eligió debido
por la importancia de su ubicación geográfica y volumen de extracción, además,
se escogió porque no se tiene conocimiento de ensayos aplicados a este banco
para así conocer el desempeño de los agregados que son extraídos del mismo
lugar.
En el banco La Isla se tomaron dos muestras de cada agregado, esto se
debió a que la extracción se hace de dos formas: con un sólo tipo de
clasificación, a la primera forma de extraer muestras se le ha llamado
¨agregados clasificados¨, esta se hace removiendo el material con maquinaria,
transportándola y colocándola en áreas ya establecidas, luego son tamizadas
manualmente por jornaleros, con tamices hechizos desde 1 al 16 (1.19 mm);
apilado nuevamente el material, para su distribución y venta, existe también una
extracción no clasificada, de rocas de todo tamaño, extraídas de igual forma por
maquinaria; luego son enviadas a triturar para homogenizar el tamaño que se desee y
se procede con la clasificación mencionada anteriormente. (Ver figuras 1, 2 y 3).
21
Figura 1. Proceso de extracción manual del banco La Isla
Figura 2. Proceso de extracción mecánica del banco La Isla
22
Figura 3. Banco La Isla
2.2 Aspectos geológicos de la zona
El banco en estudio se encuentra en la provincia central del cinturón
montañoso de Guatemala, dentro del denominado bloque maya, el cual forma
parte de la Placa de Norte América. Esta zona es afectada por el sistema de la
falla tectónica de Chixoy-Polochic, en ella afloran las formaciones Chochal, que
consiste en caliza fosilífera y dolomita; Todos Santos, compuesta por
conglomerado, arenisca arcósica, arenisca fina, limolita; y Cobán, que consiste
de calizas de grano fino, muy recristalizadas, encontrándose algunas veces
masivas y muy fracturadas. Esta caliza es de color negruzco al intemperismo y
gris en muestra sana, muchas veces contiene vetas características de calcita.
23
2.3
Tipo de banco
El banco está formado de rocas sedimentarias no clásticas o químicas. La
Isla está conformada por calizas masivas muy fracturadas de color gris oscuro
con vetas de calcita, por lo que de acuerdo con la información geológica de la
zona, se concluye que forma parte de la formación Cobán, además contiene
una ligera formación de estructura terrosa (ver figura 3).
2.4
Localización y ubicación
Este banco se localiza en el municipio de Santa Cruz Verapaz, en el
departamento de Alta Verapaz. El banco La Isla se localiza en las coordenadas
UTM. 15° 21´30 20” norte y 90º24´52 05” oeste, a una altura de 1,431 msnm.
El acceso a los bancos es por la carretera CA 14 que conduce hacia
Cobán, Alta Verapaz. Para llegar al banco La Isla se toma el cruce hacia aldea
La Isla en el km 194, el cual se encuentra a 1 km más adelante, siguiendo la
ruta, pasando por la aldea La Isla. La ruta de acceso puede verse en el mapa
de la figura 4 y figura 5.
24
Figura 4. Ubicación del banco en estudio
Fuente: MapSource versión 4.10.2 Beta
25
Figura 5. Localización y acceso al banco en estudio
Fuente: Google Earth versión 20
26
3
ENSAYOS DE LABORATORIO
3.1 Resultados para la caracterización de los agregados
Se obtuvo dos muestras de agregados directamente del lugar de extracción,
dos del banco La Isla (agregados no clasificados), esta última muestra consiste
en arena para la elaboración de morteros y levantado de concreto.
Las muestras fueron llevadas a la sección de Concretos del Centro de
Investigaciones de Ingeniería donde se practicaron los ensayos de agregados,
con base en las normas ASTM, para conocer sus distintas propiedades. Para
analizar las propiedades físicas se practicaron las pruebas de granulometría,
peso específico, peso unitario, peso unitario suelto, porcentaje de vacíos,
porcentaje de absorción y contenido de materia orgánica.
Para conocer las propiedades químicas de estos agregados, se aplicó a las
dos muestras el ensayo de reactividad potencial, según la norma ASTM C 289,
y además se realizó el examen petrográfico en el Centro de Estudios
Superiores
de
Energía
y
Minas
–Cesem-,
utilizando
un
microscopio
estereoscópico, el cual se complementó con un análisis de óxidos realizado en
el Laboratorio de Química Industrial del CII (CaO y MgO).
27
3.1.1
Tabulación y análisis de resultados
A continuación se muestran los resultados de los ensayos y pruebas de
laboratorio y su análisis respectivo con base en la teoría presentada en el
marco teórico.
3.2
Resultados de la norma ASTM C 33
Se realizaron las pruebas básicas de agregados, según la especificación
ASTM C 33, a las muestras de agregados en estudio. El orden en el que se
presentan los resultados es el siguiente: primero se analiza el agregado fino y,
seguidamente, el análisis del agregado grueso.
3.2.1
Agregado fino clasificado del banco La Isla
A continuación se presentan y analizan los resultados de los ocho
ensayos de laboratorio que exige la especificación de la norma ASTM C 33 para
el agregado fino.
En la tabla VI se muestra la granulometría del agregado clasificado del
banco La Isla y su curva granulométrica en la figura 6, el resto de las
propiedades físicas se presentan en la tabla VII, para luego hacer el análisis
respectivo.
28
Tabla VI. Granulometría del agregado fino clasificado de La Isla
Tamiz No.
Porcentaje retenido Porcentaje retenido
acumulado
Porcentaje que pasa
3/8" (9.4 mm)
00.01
00.01
99.99
No. 4 (4.76 mm)
7.73
7.74
92.26
No. 8 (2.38 mm)
27.36
35.10
64.90
No. 16 (1.19 mm)
22.98
58.08
41.92
No. 30 (600 μm)
14.25
72.33
27.67
No. 50 (300 μm)
6.95
79.28
20.72
No. 100 (150 μm)
5.18
84.46
15.54
Fondo
15.53
99.99
----
Figura 6. Curva granulométrica del agregado fino clasificado de La Isla
No. de Tamiz
No.100
No. 50
No. 30
No. 16
No. 8
No. 4
3/8¨
Tamaño en Milímetros
Fuente: Informe de la norma ASTM C 33 para agregado fino del banco La Isla realizado en
el CII.
29
Tabla VII. Características físicas de agregado fino clasificado de La Isla
Características físicas
Peso específico
Valores
2.78
3
Peso unitario compactado(kg/m )
3
Peso unitario Suelto (kg/m )
1876.07
1669.60
% de vacíos
32.51
% de absorción
0.91
Contenido de materia orgánica
1
% Retenido en Tamiz 6.35
17.00
% que pasa el tamiz 200
17.12
Módulo de finura
3.37
Análisis de resultados:
La prueba colorimétrica indicó que el agregado no contiene materia
orgánica, indicando un color de valoración 1.
El porcentaje que pasa el tamiz no. 200 sobrepasa al límite especificado,
el cual es 7 para arena manufacturada.
El módulo de finura debe estar entre 2.2 y 3.2, por lo tanto no cumple
esta condición y se deberán realizar ajustes adecuados en la proporción
granulométrica a efecto de que el material quede dentro de los rangos
establecidos por las normas.
En la gráfica de la figura 1 se puede observar que la granulometría se
cumple solamente en los tamices No. 50 y No. 30, por lo que se trata de una
arena muy gruesa que no está dentro de la especificación.
30
El peso específico está entre los límites 2.4 y 2.9, lo cual demuestra que
el material se encuentra dentro de los límites permisibles para el uso en la
fabricación de concreto.
3.2.2 Agregado fino no clasificado del banco La Isla
Los ensayos, para el agregado fino no clasificado, del banco La Isla,
fueron descartados, ya que, debido a la evaluación visual hecha por el
personal del laboratorio del Centro de Investigaciones de Ingeniería, se
concluyó que no llenaban las expectativas técnicas, para la realización de
mezclas de concreto y morteros.
3.2.3 Agregado grueso clasificado del banco La Isla
Se practicaron ocho ensayos para el agregado grueso a las muestras de
La Isla con base en la especificación de la norma ASTM C 33, los resultados de
estos se presentan a continuación en las tablas VIII, IX y figuras 7.
Tabla VIII. Granulometría del agregado grueso clasificado de La Isla
Porcentaje
Porcentaje retenido
Porcentaje que
retenido
acumulado
pasa
1 ½ in. (37.5 mm)
00.04
00.04
99.60
1 in. (25.0 mm)
9.67
9.71
90.29
¾ in. (19.0 mm)
8.72
18.43
81.57
½ in. (12.5 mm)
24.86
43.29
56.71
⅜ in. (9.5 mm)
20.53
63.82
36.18
No.4 (4.75 mm)
16.18
80.00
20.00
No.8 (2.36 mm)
19.96
99.60
0.00
Tamiz No.
31
Figura 7. Curva granulométrica del agregado grueso clasificado La Isla
Tamaño de Tamiz
No. 8
No. 4
3/8¨
½¨
¾¨
1¨
1 ½¨
2¨
2 ½¨
3¨
Tamaño en Milímetros
Fuente: Informe de la norma ASTM C 33 para agregado grueso entregado por el CII
Tabla IX. Características físicas del agregado grueso
Características físicas
Peso específico
Valores
3.17
Peso unitario compactado (kg/m3)
1680.38
Peso unitario Suelto (kg/m3)
1571.57
% de vacíos
46.99
% de absorción
0.20
% tamiz 200
17.12
32
Análisis de resultados:
Según los límites que establece la norma ASTM C 33, se puede observar
en la figura 6 que la mayor presencia de material retenido, se muestra en la
granulometría y sus respectivos límites ( 3 / 4”, 1 / 2”, 3 / 8”).
Posee un peso específico fuera de los límites 2.4 y 2.9, siendo esta una
característica importante para el diseño de concreto.
El porcentaje de absorción es bajo, mientras que el porcentaje de vacíos es
alto, lo cual permite una adecuada dosificación del agua libre en el concreto.
3.2.4 Agregado grueso no clasificado del banco La Isla
La realización de los ensayos, para el agregado grueso no clasificado,
del banco La Isla, fue descartada, ya que debido a la evaluación visual hecha
por el personal del laboratorio del Centro de Investigaciones de Ingeniería, se
concluyó que no llenaban las expectativas técnicas mínimas de confiabilidad,
para la realización de mezclas para el concreto estructural y de obra civil.
3.3 Ensayos para determinar componentes y propiedades mineralógicas
Para determinar los componentes y propiedades mineralógicas de las
muestras se realizaron tres análisis, el primero fue el ensayo de reactividad
potencial en el Laboratorio de Química Industrial del CII, el cual se efectuó para
la arena como la grava. Luego se realizó el examen petrográfico para conocer
la composición mineralógica de las muestras, sin embargo, por ser estas rocas
sedimentarias el examen petrográfico tuvo que complementarse con un análisis
químico para catalogar la muestra.
33
Para los ensayos de propiedades químicas se hizo una distinción
necesaria, con el fin de distinguir entre agregado fino y grueso, ya que dichas
características, aunque tiene mucho en común y son propias del mismo tipo de
roca, se prefirió examinar por separado, tamizando la del agregado fino y
pulverizando el agregado grueso, en la máquina de los ángeles.
3.3.1
Ensayo de reactividad potencial ASTM C 289
Se realizó el ensayo de reactividad potencial a dos muestras, para
determinar la capacidad reactiva potencial de incremento de volumen a
mediano y largo plazo de sus componentes silícicos con los álcalis (Na2O y
K2O) del cemento Portland. Los resultados se muestran en la tabla X.
Tabla X. Resultados del ensayo de reactividad potencial, ASTM C 289
Muestra
3.3.2
Resultado
La Isla: agregado grueso
Inocuo
La Isla: agregado fino
Inocuo
Examen petrográfico del banco La Isla
La primera parte del examen petrográfico consistió en una inspección
macroscópica de las muestras de agregado grueso, vertiendo sobre las muestra
del agregado grueso, gotas de Ácido clorhídrico (HCl), de las cuales se tuvo
una reacción sin alteraciones físicas y una ligera espuma en las betas de caliza,
la cual es normal. Luego se realizó el análisis microscópico para el agregado
fino, posteriormente las muestras fueron llevadas a los laboratorios de química
del CII, para realizar un análisis químico de los contenidos de calcio y
magnesio, con el cual se caracterizaron los tres tipos de roca, de las cuales
está compuesto el agregado.
34
Por tanto las características macroscópicas fueron las siguientes:
Tabla XI. Características macroscópicas
Características macroscópicas
Tipo
Roca Sedimentaria
Grupo
Carbonatos
Color
Coloraciones pastel café y gris,
con vetas de calcita
Nombre
Caliza
El análisis con microscopio estereoscópico de un conteo de 150 partículas
se aplicó a los tamices No. 100, No. 50, No. 30 y No. 16, se pudieron identificar
dos tipos de partículas, la roca identificada propiamente como caliza y el
mineral calcita, haciendo entre ellos una brecha de calcita, la cual tendía a
desaparecer, conforme se volvía más fino el tamiz por el cual el material
pasaba. Para los tamices No. 4 y No. 8 no podía distinguirse la división entre
estas dos partículas, por que los granos retenidos en estos tamices son
compactos y grandes. Los resultados de este análisis se muestran en la gráfica
de la figura 8 en forma de porcentaje y el número de partículas en la tabla XI.
35
Figura 8. Componentes minerales de la muestra de La Isla para cada
número de tamiz
Tabla XII. Número de partículas por tamiz
Tipo
Tamices
No. 16
No. 30
No. 50
No. 100
Caliza
Brecha de
calcita
Calcita
110
95
90
81
16
28
25
22
24
27
35
47
Total
150
150
150
150
36
La norma de clasificación de rocas y minerales ASTM C 294, para usos
en agregados, indica que la calcita (carbonato de calcio CaCO3) es un
componente inocuo en las rocas, el cual no produciría reacciones expansivas
en el concreto, por lo que esta roca es apta para ser usada, desde el punto de
vista mineralógico.
3.4
Ensayos para determinar componentes y propiedades químicas
El ensayo que se desarrolló para el material del banco La Isla, fue el análisis
de óxido de calcio (CaO) y el óxido de magnesio (MgO), el mismo fue solicitado
por el área del CESEM, para determinar si la roca contenía presencia
dolomítica, ya que debido a que estos agregados son triturados y provienen de
la misma roca, el examen petrográfico se realizó considerando el agregado
grueso y fino como una sola muestra. Para la caracterización de la roca se
contó con el análisis de óxido de calcio y óxido de magnesio, el cual dio como
resultado: 36.05% de óxido de calcio (CaO) y 38.97% de óxido de magnesio
(MgO), esta relación Cao/MgO da (0.92%), siendo un resultado muy bajo para
pertenecer a una dolomíta, considerándole un material “árido no reactivo”; los
limites porcentuales, entre 2.35% y 12%, la convertirían, en un material “árido
considerado como potencialmente reactivo”, lo cual no fue el caso.
37
Figura 9. Reactividad álcali - carbonato
Fuente: Diana Carolina Sierra Lemus, Sustancias reactivas nocivas en los agregados para
concreto. Pág. 42
Esto da como resultado que el material se adapta a la composición química
d0..0e una calcita, debido a que el incremento de calcio y magnesio no superó
la proporción en porcentajes, según la norma establecida en ASTM C294-86,
inciso 11, vista en la figura 9.
38
4. ELABORACIÓN DE MEZCLAS DE CONCRETO Y MORTEROS
PARA VERIFICAR LA RESISTENCIA MECÁNICA
Luego de haber realizado los ensayos de agregados, se procedió a
comprobar su desempeño real fabricando mezclas de concreto y mortero, las
cuales fueron elaboradas y probadas tal y como lo establecen las normas. Para
contar con una verificación completa de la calidad de estos agregados se
hicieron tres tipos de ensayos en la Sección de Concretos, Morteros y
Aglomerantes del CII, estos fueron: ensayo de concreto a compresión y
ensayos de morteros a compresión y tensión.
4.1 Ensayo de concreto a compresión
En este ensayo se realizaron dos pruebas, donde se utilizaron las
muestras del banco La Isla para agregados clasificados. Se fabricaron dos
grupos de nueve (9) cilindros de concreto, con diferentes proporciones,
elaborándose ambos grupos, como lo especifica la norma ASTM C 39 para una
resistencia de 210 kg/cm2 (3000 psi). Luego estos fueron curados y ensayados
a los 3, 7 y 28 días. Los resultados se muestran a continuación.
4.1.1.
Banco La Isla: agregado clasificado
Se fabricó la primera mezcla con las características siguientes:
Tabla XIII. Proporción de la mezcla (peso) 1 : 2.30 : 3.00 : 0.60.
Proporción de la mezcla de concreto
Arena Pu suelto
1,669.60 kg/m3
104.23 lb/pie3
Grava Pu suelto
1,571.57 kg/m3
98.11 lb/pie3
210 kg/cm2
3,000 psi
7.62 cm
3 plg
2,526.66 kg/m3
157.73 lb/pie3
281 kg/cm2
4,000 psi
f´c
Asentamiento
Pu concreto
Cemento UGC
39
Los cilindros fueron ensayados en grupos de 3, para obtener una buena
representatividad, debido a que el ACI especifica 2 cilindros de 15 x 30 cm o 3
cilindros de 10 x 20 cm, de esta forma puede tenerse un punto de comparación
en caso de error al realizar el ensayo. Los resultados de las pruebas se
muestran en la tabla XII.
Tabla XIV. Resultados del ensayo a compresión del concreto utilizando
agregados clasificados
Diámetro
f 'c
Peso (kg)
(cm)
(kg/cm2)
3
0.528
5.253
87.89
1250.14
B
3
0.522
5.263
83.39
1186.09
C
3
0.525
5.240
82.03
1166.75
D
7
0.517
5.243
96.63
1374.42
E
7
0.516
5.247
98.61
1402.52
F
7
0.520
5.250
100.58
1430.54
G
28
0.523
5.253
159.05
2262.15
H
28
0.531
5.243
165.96
2360.42
I
28
0.524
5.267
139.50
1984.18
Cilindro
Edad
A
f 'c (PSI)
Posterior a los resultados que obtuvo la primera prueba, y no cumpliendo
estos con la resistencia esperada, se realizó la segunda prueba con el siguiente
diseño de mezcla, el cual considera los siguientes elementos, a mostrarse en la
Tabla XIII:
40
Tabla XV. Diseño Teórico de mezcla para concreto de 210 kg/cm2
-
Resistencia nominal
210 kg/cm2
-
Resistencia promedio requerida
246 kg/cm2
-
Relación agua/cemento
-
Datos de Mezcla
0,57
CONCRETO NORMAL f´C = 210 kg/cm2
MATERIALES
CEMENTO
PROPORCIÓN EN
PROPORCIÓN EN
PROPORCIÓN EN
PESO
VOLUMEN(LITROS)
VOLUMEN (kg/m3)
1
42.5 kg.
342,11
ARENA
2,29
58,22
782,42
PIEDRÍN / GRAVA
3,16
85,41
1080,48
AGUA/CEMENTO
0,57
24,23
195,00
Tabla XVI. Proporción de la mezcla (peso) 1 : 2.29 : 3.16 : 0.57.
Proporción de la mezcla de concreto
Arena Pu suelto
1,669.60 kg/m3
104.23 lb/pie3
Grava Pu suelto
1,571.57 kg/m3
98.11 lb/pie3
210 kg/cm2
3,000 psi
8.89 cm
3.5 plg
2,526.66 kg/m3
157.73 lb/pie3
281 kg/cm2
4,000 psi
f´c
Asentamiento
Pu concreto
Cemento UGC
Los cilindros fueron ensayados en grupos de 3 para obtener una buena
representatividad, debido a que el ACI-318R-99, especifica 2 cilindros de 15 x
30 cm o 3 cilindros de 10 x 20 cm, de esta forma puede tenerse un punto de
comparación en caso de error al realizar el ensayo. Los resultados de las
pruebas se muestran en la tabla XIV.
41
Tabla XVII. Resultados del ensayo a compresión del concreto utilizando
agregado clasificado para concreto de 210 kg/cm2
Cilindro Edad
Diámetro
Carga
Peso (kg.)
(cm)
(lbs.)
f 'c
(kg/cm2)
f 'c
(PSI)
A
3
11.862
15.080
32,500
82.54
1173.97
B
3
11.927
15.070
32,000
81.38
1157.45
C
3
11.451
15.067
32,500
82.69
1176.05
D
7
11.990
15.137
42,500
107.13
1523.72
E
7
12.160
15.187
40,000
100.16
1424.66
F
7
12.765
15.083
44,000
111.70
1588.68
G
28
12.870
15.033
85,000
217.21
3089.48
H
28
12.730
15.033
75,000
191.66
2726.02
I
28
CILINDRO DE BAJA RESISTENCIA
Análisis de resultados:
Al observar los resultados de los cilindros elaborados bajo el segundo
diseño de mezcla que proporciona la tabla XVI, se observan tres situaciones: la
primera es acerca del aumento de resistencia en el concreto a partir de los 28
días, obteniendo la forma ideal en la cual una mezcla garantiza su eficiencia,
desplazando por completo los resultados de la primera prueba de la tabla XII,
en segundo la observación acerca de la importancia en la elaboración de los
cilindros de concreto en el momento del llenado de concreto, y su
apisonamiento al momento de construir, evitando de tal forma desechar
cilindros de baja resistencia; y por último, la resistencia promedio requerida,
está basada en la desviación estándar del ACI 214 tabla 3.5, sección 5, 3.2, en
donde se recomienda su utilización bajo condiciones de laboratorio.
42
4.1.2
Banco La Isla: agregado no clasificado
La dosificación para agregados no clasificados no se fabricó, ya que como
se explicó al inicio del presente capitulo, las características con las cuales
cuenta el material, que se extrae directamente del banco La Isla, aunque posee
las propiedades físicas necesarias para utilizarse, no posee las características
especificada en normas, para realizar la mezcla de una forma técnica y
profesional. Además, la gran cantidad de material sustraído del banco, está
expuesta a meteorización del material con sustancias nocivas como: la arcilla,
ya que evita adherencia con el aglomerante, dando un aumento en el módulo
de finura y de esta manera se incrementa la relación agua-cemento a utilizar en
la mezcla de concreto.
4.2 Ensayo de morteros a compresión
El ensayo de mortero a compresión se realizó fabricando cubos de mortero,
de 2” de lado, en proporción 1:3:0.40 como lo especifica el método de prueba
ASTM C 109, ensayando tres cubos a las edades de 3, 7 y 28 días. El cemento
utilizado fue Tipo I, según ASTM C-595.
4.2.1
Banco La Isla: agregado fino clasificado
Se fabricaron 9 cubos de mortero de 2” de lado, utilizando arena
clasificada con la proporción 1 : 2.75 : 0.58, la cual fue diseñada con el objetivo
de obtener un f´c de 3,000psi (210 kg/cm2), proveyendo mayor adherencia entre
partículas y elementos en mampostería reforzada, utilizando de esta forma el
material retenido en el tamiz No. 30. Los resultados de los ensayos se muestran
en la tabla XV. Las cantidades en peso de materiales fueron 740 gr cemento,
2035 gr arena y 427 ml de agua.
43
Tabla XVIII. Resultados de mortero a compresión para el agregado fino
clasificado
No.
EDAD
CARGA (kg)
CARGA
Resistencia
EN
CUBO
CUBO
CUBO
PROMEDIO
ÁREA
DÍAS
1
2
3
(kg)
(cm2)
1
3
3230
3260
3220
3236.67
2
7
5360
5440
5440
3
28
8075
7938
8210
2
Resistencia
(kg/cm )
(PSI)
25.8064
125.42
1783.87
5500.00
25.8064
213.12
3031.25
8074.33
25.8064
312.88
4450.15
Análisis de resultados
El incremento de la resistencia ha sido notorio en cada una de las
edades en las que han sido evaluados los cubos: esto entrega información
confiable acerca de la resistencia a la compresión a la cual fue sometida la
mezcla.
4.2.2
Banco La Isla: agregado fino no clasificado
El agregado fino no clasificado no tiene lo necesario para ser evaluado por
los métodos técnicos de elaboración de morteros, por lo tanto, se tomó la
decisión de no realizar el análisis con el material antes mencionado, por el
Centro de Investigaciones de Ingeniería.
44
4.3
Ensayo de morteros a tensión
Se decidió realizar los análisis de morteros a tensión, para lograr más
información y mayor grado técnico en el estudio de morteros, por lo tanto, se
elaboraron los ensayos a tensión, según la norma ASTM C 190, la cual describe
el procedimiento de fabricación de los morteros y elaboración de briquetas para
tal ensayo. Como lo indica la norma, se ensayaron tres briquetas por cada
prueba a los 3, 7 y 28 días.
4.3.1
Banco La Isla: agregado fino clasificado
Se fabricó mortero en proporción 1:2.75:0.58, utilizando cemento Tipo I
(4000 psi o 281 kg/cm2), con el objetivo de proveer mayor adherencia entre
partículas, utilizando de esta forma el material retenido en el tamiz No. 30: las
cantidades de material para elaborar la mezcla fueron 740 gr cemento, 2035 gr
arena y 427 ml de agua. Los resultados del ensayo de briquetas del agregado
fino clasificado se muestran en la tabla XVI.
Tabla XIX. Resultados de mortero a tensión para el agregado fino
clasificado
No.
EDAD
EN
CARGA (kg)
BRIQUETA
BRIQUETA
CARGA
BRIQUETA
PROMEDIO
Resistencia
ÁREA
2
Resistencia
(kg/cm )
(PSI)
2
DÍAS
1
2
3
(lb)
(plg )
1
3
315
305
295
305.00
1.00
21.44
304.94
2
7
340
340
335
338.33
1.00
23.79
338.37
3
28
600
580
550
576.67
1.00
40.54
576.61
45
Análisis de resultados
Los resultados que proporciona en kg/cm2 y psi, el agregado fino, en los
ensayos a tensión, muestran un incremento del 50% en relación con las
pruebas de 3 días con las de 28 días, experimentando un valor superior a los 40
kg/cm2, demostrando que la realización de las briquetas en el laboratorio han
sido bien elaboradas, con base en la norma ASTM C 190.
4.3.2
Banco La Isla: agregado fino no clasificado
El agregado fino no clasificado, no tiene lo necesario para ser evaluado,
por los métodos técnicos de elaboración de morteros; por lo tanto, se tomó la
decisión de no realizar el análisis con el material antes mencionado, por el
Centro de Investigaciones de Ingeniería.
46
CONCLUSIONES
1.
De acuerdo con la especificación ASTM C33-01, el agregado fino
clasificado del banco La Isla posee propiedades mecánicas como: ser
retenido en dos tamices, No. 50 y No. 30, dando como resultado una
arena
gruesa
que
no
entra
en
especificación
y
utilización
en
construcciones de concreto.
2.
La colorimetría que presenta el material es adecuada, para su utilización
en el campo de la construcción, ya que no presenta rastro alguno de
materia orgánica.
3.
El módulo de finura no cumple con los límites y, por lo tanto, se deberán
realizar
los
ajustes
adecuados
para
obtener
una
proporción
granulométrica adecuada para la realización del concreto.
4.
El peso específico cumple con los límites permisibles, para realizar una
mezcla de concreto adecuada, en relación con el volumen.
5.
De acuerdo con la especificación ASTM C33-01, el agregado grueso
clasificado del banco La Isla posee propiedades mecánicas, como la
granulometría, ingresando en tres los límites que establece la norma
como: 3/4¨, 1/2¨ y 3/8¨.
6.
El peso específico del agregado grueso se encuentra fuera de los límites
aceptables para realizar una mezcla de concreto adecuada.
47
7.
El porcentaje de absorción del material es bajo, dando pocas
probabilidades
a
la
retención
de
humedad
y
brindando
mayor
permeabilidad.
8.
El porcentaje de vacíos es alto, esto permite una dosificación adecuada
con agua libre en el concreto.
9.
La norma de clasificación de rocas y minerales para usos como
agregados ASTM C 294 indica que la calcita (carbonato de calcio CaCO3)
es un componente inocuo en las rocas, mientras que en el caso de la
dolomita (CaMg (CO3 )2) es considerada deletérea, lo cual puede causar
reacciones expansivas en el concreto, esta última no se encontró en el
material analizado.
10.
Con base en normas y especificaciones internacionales y nacionales, es
evidenciable la importancia del estudio de los materiales tanto física,
mecánica, química y mineralógicamente, en los ensayos de cilindros de
concreto y de morteros, en los bancos de materiales.
11.
La relación química que se encontró entre el calcio y el magnesio
demuestra la inocuidad al material y libre de contaminantes para un
agregado grueso y fino clasificado de buena calidad. Al estudiar el
material con base en norma ASTM C294-86, lo considera árido mas no
reactivo con la relación agua/cemento, adaptándose químicamente a la
elaboración del concreto.
12.
De acuerdo con las características que presentan los mismos, con esos
agregados es posible preparar concretos que proporcionen una
resistencia adecuada para la construcción, con una debida supervisión.
48
RECOMENDACIONES
1. Controlar la granulometría del agregado fino clasificado, por parte del
contratista que utilizará el material, para que pueda cumplir con una arena
menos gruesa, recomendando utilizar el tamiz o grilla No. 30 (600 μm) para
este banco, y poder así realizar una mezcla de concreto apropiada y acorde a
sus necesidades.
2. Para la utilización del agregado grueso clasificado, se deberá mezclar con un
agregado fino clasificado, que cumpla con los límites de finura, para lograr
una mejor adherencia de las partículas al momento de la fundición.
3. La utilización del material en mezclas de concreto es recomendada, ya que
no posee minerales dañinos, que puedan generar problemas en las
estructuras a corto, mediano y largo plazo.
4. El análisis químico y mineralógico indica los agregados clasificados, libres de
contaminantes, mas no especifica la utilización de químicos (acelerantés,
desencofrantés, etc.) en el concreto; esto será utilizado con base en el criterio
del ingeniero supervisor y su correcta implementación de químicos en el
concreto de la obra.
5. Para poder utilizar los agregados del banco la Isla es necesario intervenirlos
industrialmente para mejorar sus características físicas que permitan producir
mezclas de resistencias adecuadas para elementos estructurales de
concreto.
49
50
BIBLIOGRAFÍA
1.
American Society for Testing and Materials. Annual Book of ASTM
Standards. Volumen 04.01, 04.02. y 04.05 EEUU.1990, 804 pp.
2.
Beltranena,
Emilio.
Agregados
para
concreto.
Tesis
Ing.
Civil.
Guatemala, Universidad de San Carlos de Guatemala, Facultad de
Ingeniería, 1952. 255 pp.
3.
Gaitán Orozco, Sergio. Análisis mineralógico y examen petrográfico de
agregado fino para concreto de tres bancos en la región central del país.
Tesis Ing. Civil. Guatemala, Universidad de San Carlos de Guatemala,
Facultad de Ingeniería
4.
Meza Ligorría, Edwin Lizandro. Cartografía geológica y estudio
microfacial del límite entre las formaciones Todos Santos (Jurásico) y
Cobán (Cretácico), Pueblo Viejo (Chixoy), Tactic, Alta Verapaz,
Guatemala C.A. Tesis Ing. Civil. Cobán, Alta Verapaz, Centro
Universitario del Norte -CUNOR-, 1997. 29 pp.
5.
Salguero Girón, Raúl Armando. Examen de calidad de agregados para
concreto de dos bancos en la ciudad de Quetzaltenango. Tesis Ing. Civil.
Guatemala, Universidad de San Carlos de Guatemala, Facultad de
Ingeniería, 2004. 55 pp.
6.
Sierra Lemus, Diana Carolina. Sustancias nocivas en los agregados para
concreto. Tesis Ing. Civil. Guatemala, Universidad de San Carlos de
Guatemala, Facultad de Ingeniería, 2006. 42 pp.
51
52
ANEXOS
A continuación se presentan los informes originales de los ensayos de
laboratorio entregados por el Centro de Investigaciones de Ingeniería:
•
Especificaciones generales ASTM C 33 para agregado fino y
grueso
•
Análisis de óxidos de calcio y magnesio
•
Reactividad potencial (ASTM C 289)
•
Ilustración sobre reactividad potencial, con límites de un material
deletéreo e inocuo
•
Ensayos de concreto a compresión (C 39), mortero a compresión y
tensión (ASTM C 109 y 190)
•
Fotografías de los ensayos:
o Cilindros a compresión
o Morteros a compresión
o Morteros a tensión
53
Figura 10. Informe de la norma C 33 para el agregado fino clasificado
54
Figura 11. Informe de la norma C 33 para el agregado grueso clasificado
55
Figura 12. Informe de la evaluación de óxidos de calcio y magnesio por
métodos complejo métricos
56
Figura 13. Informe de reactividad potencial del banco La Isla
57
Figura 14. Ilustración sobre la división de un material deletéreo e inocuo
58
Figura 15. Informe de la resistencia de cilindros de concreto
59
Figura 16. Diseño teórico de mezcla para concreto 210 kg/cm2 - 3000 psi
60
Figura 17. Informe de la resistencia de cilindros de concreto con base en
el diseño teórico de mezcla para concreto 210 kg/cm2 - 3000 psi
61
Figura 18. Informe de la resistencia de morteros a tensión y compresión
62
Figura 19. Fotografías del ensayo de cilindros a compresión
63
Figura 20. Fotografías del ensayo de cilindros a compresión con base en
diseño teórico de mezcla para concreto 210 kg/cm2 - 3000psi
64
Figura 21. Fotografías de ensayos de morteros a compresión
65
Figura 22. Fotografías de ensayos de morteros a tensión
66